科普核聚变精要.doc

科普核聚变 作者：@中科大胡不归 ? 最近我国在核聚变领域有一项重大进展（/Science/2015_04_09_315237），首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”（KTX）进入装置最后整体安装调试阶段。这则消息引起了广泛关注，令许多关心科技事业、盼望国家强盛的人欣喜雀跃。不过，这究竟是怎样一件事呢？ 简单的回答是：我也不知道。这东西离我的专业理论物理化学实在远了点。我问了一位原本以为可能相关的朋友，但他说他在强磁场实验室，不了解。其实这已经比较近了，因为磁约束就是用强磁场来约束核聚变材料，至少比我近得多。但科研人员总是知之为知之，不知为不知，所以“不说，我们不说”。 然而仔细想想，大部分群众想了解的还没到工程细节那种程度，核聚变的基本原理就已经是许多人不明白而又深感兴趣的了。对基本原理，我还可以说是略有所知的，在这里就来解释几句，希望能够对读者有益，并且就教于高明。 ? 爱因斯坦质能方程 ? 核聚变最基本的原理是什么？或者说，如果我们发现了一个外星文明，想知道他们是否可能已经掌握了聚变技术，我们要关注的是什么？答案是爱因斯坦的质能方程E = mc2，E是能量，m是质量，c是光速（约为30万公里每秒）。外星文明如果知道这个关系式，我们就要当心了，他们有可能已经会核聚变了，而且有大得多的可能会核裂变。他们说不定会跨越星海杀过来（《三体》爱好者请举手），即使不能，至少可以拿原子弹抵御我们。如果他们不知道，那我们可以放宽心，他们的技术最多只是到导弹这个层次，没有核武器，肯定不是我们的对手（章北海和罗辑内牛满面）。 E =mc2很可能是整个科学中最著名的公式，以至于霍金虽然听说“每个公式都会使你的读者减半”，还是在《时间简史》中写上了这个公式。可是盛名之下，大多数人对它的意义，我相信，还是似懂非懂。咳，咳，那么我们开始上课了。 首先，这个公式是怎么推导出来的？在这里没法详细讲，以后我可能会写一篇科普相对论的文章。简单地说，推导它只需要两个基本假设：一，在所有的做匀速直线运动的参照系（即惯性参照系）中，物理规律（包括力学规律、电磁学规律以及任何有可能的规律）的形式不变。二，在所有的惯性参照系中，光的速度不变。第一条称为相对性原理，第二条称为光速不变原理。 稍稍解释一下这两条原理说的是什么。相对性原理说的是，所有惯性参照系一律平等。你在惯性参照系A中得到一套物理规律，那么在另一个惯性参照系B中应该得到同样的一套物理规律。把A定义为静止、把B定义为运动，跟反过来把B定义为静止、把A定义为运动，是完全等价的，不可能发现任何矛盾。换句话说，不能定义绝对的静止。光速不变原理说的是，所有光速一律平等。无论一束光是从静止的光源发出的，还是从运动的光源发出的，光速都一样。或者说，无论你静止地看一束光，还是在运动中看一束光，你看到的光速都相等。这乍看起来很违反直觉，对不对？比如说你在以c/2的速度跟一束光同向运动，按照日常生活熟悉的牛顿力学，你看到的光速应该是c - c/2 = c/2，但不对，仍然是c。如果你在以c/2的速度跟一束光反向运动，你看到的光速也不是c + c/2 = 3c/2，仍然是c。《三体》中有一个寓言提到一位无论在什么距离看都同样高的王子，影射的就是光速。 这么违反直觉的理论，为什么大家要相信他？答案很简单：因为它的预测符合事实。当然，一直有很多民科孜孜不倦地攻击相对论。我也不反对他们这么做，开心就好。而且科研工作者对任何科学理论都只是出于证据相信，随时可以出于新的证据改变看法。只不过，我对他们的成功不抱任何希望。 好，我们现在接受了这两条原理。爱因斯坦证明，仅仅根据这两条原理，不再需要任何其它条件，就可以推出一整套理论体系，即狭义相对论。狭义相对论有很多惊人的结果，如钟慢效应（运动的物体时间流逝得慢了）、尺缩效应（物体在运动的方向上空间尺度缩短）。这两个效应是关于时空的深刻结论，理解起来比较困难，我们在这里不去多谈。质能方程也是由相对性原理和光速不变原理推导出来的结果，下面我们来仔细看它。 关于质能方程，第一点需要理解的就是，它是一个数学推论，其可信度完全来自于相对性原理和光速不变原理的可信度。狭义相对论就好比平面几何体系，那两条原理好比公理，质能方程好比定理。只要公理正确，定理就必然正确。只要你承认了公理，你就必然承认定理，不可能吃一半留一半。 第二点需要理解的是，质能方程是一个完全普适的数学定理。在它的推导中没有用到任何与具体物质有关的性质，所以其普适性是跟两条公理一样强的。那么它的适用范围是什么？宇宙中所有事物（此处应有掌声）。没错，爱因斯坦就是这么任性~ 第三点需要理解的是，质能方程是一个完全精确的方程。在它的推导中没有用到任何近似，所以其准确性是跟两条公理一样强的。也就是说，永远不会打折扣。实际的测量会有误